Interruptor de fotos

Tras la isomerización por absorción de luz, puede producirse una transición electrónica π-a-π ^* o n-a-π ^{* con la consiguiente liberación de luz (} fluorescencia o fosforescencia ) o calor cuando los electrones transitan de un estado excitado a un estado fundamental. Se alcanza un estado fotoestacionario cuando la irradiación de luz ya no convierte una forma de un isómero en otra; sin embargo, siempre existirá una mezcla de isómeros cis y trans, con un mayor porcentaje de uno que del otro, dependiendo de las condiciones de luz. ^{[ 20 ]}

Rendimiento cuántico

Una de las propiedades más importantes de un fotointerruptor es su rendimiento cuántico , que mide la efectividad de la luz absorbida para inducir la fotoisomerización. El rendimiento cuántico se modela y calcula utilizando la cinética de Arrhenius . ^{[ 23 ]} Los fotointerruptores pueden estar en solución o en estado sólido; sin embargo, la conmutación en estado sólido es más difícil de observar debido a la falta de libertad de movimiento molecular, el empaquetamiento sólido y la rápida reversión térmica al estado fundamental. ^{[ 24 ]} Mediante modificación química, el desplazamiento hacia el rojo de las longitudes de onda de absorción necesarias para causar la isomerización conduce a la conmutación inducida por luz baja, lo que tiene aplicaciones en fotofarmacología . ^{[ 25 ]}

Uno de los ejemplos biológicos más frecuentes en el cuerpo humano que experimenta cambios estructurales al ser irradiado con luz incluye la clase de fotorreceptores unidos a la membrana, las rodopsinas . ^{[ 29 ]} Estas incluyen la regulación de los melanocitos , la visión , la liberación de melatonina y el control del ritmo circadiano , etc. ^{[ 30 ]} Las rodopsinas son compuestos fotocrómicos altamente eficientes que pueden experimentar una fotoisomerización rápida y están asociadas con varias proteínas de la retina ^{[ 31 ]} junto con canales y bombas activados por luz en microbios. ^{[ 32 ]}

Se han investigado los avances en la restauración de la visión con compuestos fotocrómicos. La isomerización rápida permite que las células de la retina se activen al ser estimuladas por la luz, y los avances en acrilamida-azobenceno-amoniaco cuaternario han demostrado la restauración de las respuestas visuales en ratones ciegos. ^{[ 33 ]} Entre las empresas involucradas en este campo se encuentran Novartis , Vedere, Allergan y Nanoscope Therapeutics. ^{[ 34 ]}

Mediante la incorporación de interruptores fotoactivables en moléculas biológicas, los procesos biológicos pueden regularse mediante irradiación controlada con luz. Esto incluye el fotocontrol de la conformación y actividad de péptidos, la transcripción y traducción de ADN y ARN, la regulación de la actividad enzimática y los canales iónicos fotoregulados. ^{[ 35 ]} Por ejemplo, se ha demostrado que el control óptico de la unión de ligandos en la albúmina sérica humana influye en sus propiedades de unión alostérica. ^{[ 36 ]} Asimismo, se han utilizado azobencenos con desplazamiento al rojo para controlar los receptores de glutamato ionotrópicos . ^{[ 37 ]}

Dependiendo del estado isomérico, los interruptores fotoeléctricos tienen el potencial de reemplazar a los transistores utilizados en electrónica. ^{[ 40 ]} Mediante la fijación de interruptores fotoeléctricos a las superficies de diversos sustratos, se puede modificar la función de trabajo. Por ejemplo, la incorporación de diariletenos como una monocapa autoensamblada sobre una superficie de oro resulta prometedora en dispositivos optoelectrónicos. ^{[ 5 ]}

Los diariletenos forman uniones de conducción molecular estables cuando se colocan entre electrodos de grafeno a baja temperatura y a temperatura ambiente, y actúan como un interruptor fotoeléctrico. ^{[ 41 ]} Al combinar un fotointerruptor, que contiene varios niveles de orbitales moleculares desocupados más altos y más bajos en su conformación geométrica abierta y cerrada, en una película compuesta de semiconductores dopados con tipo p o tipo n , el transporte de carga puede controlarse con luz. ^{[ 5 ]} Una celda fotoeléctrica está conectada a un circuito que mide la cantidad de electricidad que genera. El circuito decide y proporciona la salida, según el ajuste del nivel mínimo y máximo de lux . ^{[ 42 ]}

Los interruptores fotoquímicos se han utilizado en la generación de animaciones e imágenes tridimensionales. ^{[ 43 ]} La pantalla utiliza un medio compuesto por una clase de interruptores fotoquímicos (conocidos como espirodaminas) y tecnología de procesamiento digital de luz para generar luz estructurada en tres dimensiones. Se dirigen patrones de luz ultravioleta y luz verde a la solución de tinte, lo que inicia la fotoactivación y crea así el vóxel "encendido" .

Debido a que uno de los fotoisómeros es más estable que el otro, la isomerización del isómero estable al metaestable da como resultado una conversión de energía luminosa en energía libre en forma de potencial químico y tiene aplicaciones en el almacenamiento de energía solar. ^{[ 44 ]}

Se ha demostrado que la merocianina transporta protones a través de una membrana polimérica al ser irradiada con luz. Cuando se irradiaron lados opuestos de la membrana con luz ultravioleta y visible, se generó un potencial de almacenamiento y un gradiente de pH. ^{[ 5 ]}

La incorporación de moléculas fotoactivables en estructuras metalorgánicas porosas permite la absorción de moléculas gaseosas como el dióxido de carbono, contribuyendo así a la optoelectrónica , la nanomedicina y un mejor almacenamiento de energía. Al modificar las propiedades químicas de los poros, se puede ajustar la adsorción y desorción de gases para lograr avances en materiales de membrana inteligentes. ^{[ 5 ]}

La incorporación de moléculas fotoactivables, como los aductos de Stenhouse donador-aceptor, en polimerosomas se ha utilizado para formar nanopartículas que pueden exponer selectivamente enzimas en respuesta a la luz, lo que les permite imitar algunas funciones de las células. ^{[ 45 ]}

Las transformaciones quirales impulsadas por la forma en estructuras de cristal líquido pueden lograrse mediante la fotoisomerización de hidrazonas biestables para generar formas poliméricas estables a largo plazo. ^{[ 46 ]} Se pueden crear ventanas ópticas controladas por luz que pueden cambiar las propiedades de absorbancia mediante el dopaje quiral de cristales líquidos con fotointerruptores de hidrazona o mediante el atrapamiento cinético de varios estados colestéricos en función del estado fotoestacionario. ^{[ 47 ]} La incorporación de fotointerruptores en cristales líquidos nemáticos puede cambiar el autoensamblaje, el empaquetamiento cristalino y las propiedades de reflexión de la luz de las interacciones supramoleculares. ^{[ 48 ]}

Los fotointerruptores de diarileteno han demostrado ser prometedores para su uso en almacenamiento óptico regrabable . Mediante la irradiación de luz, la escritura, el borrado y la lectura pueden equipararse al almacenamiento de CD / DVD con un mejor rendimiento. ^{[ 49 ]} Se introducen nuevos fotointerruptores portadores de azo como bisagras moleculares, ^{[ 50 ] [ 51 ]} que pueden utilizarse en el diseño de máquinas moleculares y dispositivos ópticos. ^{[ 52 ]}

En el campo de la fotofarmacología , se están investigando los interruptores fotoactivables como medio para controlar la actividad. Al incluir un interruptor fotoactivable en un fármaco, este adopta varios estados biológicamente activos . La luz puede utilizarse para alternar entre estos estados, lo que permite el control remoto de la actividad del fármaco. También se ha demostrado que los interruptores fotoactivables modulan las propiedades de la energía superficial, lo que puede controlar cómo interactúa la capa fotoactivable con las nanopartículas. ^{[ 53 ]} Se ha demostrado la encapsulación y distribución de fármacos en ubicaciones específicas mediante luz, gracias al cambio único en las propiedades y el tamaño de las nanoestructuras microencapsuladas con componentes fotocrómicos. ^{[ 54 ]}

Se han investigado interruptores fotoquímicos para materiales poliméricos autorreparables . El primero incorpora la fotosintonización de varios grupos funcionales para que la reactividad pueda modularse en una de las formas isoméricas, mientras que la segunda estrategia incorpora la tautomerización de enlaces de valencia impulsada por la luz . ^{[ 5 ]}